Обоснование выбора систем машин для рубок ухода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.01, доктор технических наук Сюнёв, Владимир Сергеевич

• Сюнёв, Владимир Сергеевич
• доктор технических наук
• 2000

Оглавление диссертации доктор технических наук Сюнёв, Владимир Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Формирование экосистемы бореальных (северных) лесов и ее современное состояние.

1.2. Биолого-экологическое значение рубок ухода и их место в системе лесоэксплуатации.

1.3. Машинизация рубок ухода.

1.4. Современная сортиментная технология и машины.

1.5. Повреждаемость древостоев и почвы от воздействия лесной техники.

1.6. Задачи исследования.

2. КОНЦЕПЦИЯ ВЫБОРА МАШИН ДЛЯ РУБОК УХОДА.

2.1 Обоснование концепции компьютеризированного выбора машин.

2.2. Процедура принятия решений.

2.3. Описание структуры компьютеризированной системы принятия решений.

2.4. Обоснование применяемых методов моделирования и системы показателей.

2.5. Алгоритм принятия решения.

Выводы.

3. РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ КОМПЬЮТЕРИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ.

3.1. Построение компьютерных моделей лесной среды.

3.1.1. Географические информационные системы.

3.1.2. Моделирование природно-производственных условий.

3.1.2.1. Климатические условия.

3.1.2.2. Рельеф местности и почвенно-грунтовые условия.

3.1.2.3. Модельная лесосека.

3.2. Построение компьютерных информационных систем по машинам и оборудованию для сортиментной заготовки леса.

3.2.1. Исходные материалы и программное обеспечение.

3.2.2. Обоснование структуры баз данных.

3.2.3. Анализ основных моделей харвестеров.

3.2.4. Анализ основных моделей форвардеров.

3.2.5. Анализ основных моделей манипуляторов.

3.2.6. Анализ основных моделей харвестерных головок.

Выводы.

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ХОДОВЫХ СИСТЕМ МАШИН НА ЛЕСНЫЕ ПОЧВЫ.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Основные понятия.

4.3. Моделирование лесной почвы.

4.4. Моделирование элементов ходовых систем.

4.5. Результаты моделирования взаимодействия элементов ходовых систем с лесной почвой.

Выводы.

5. ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РУБОК УХОДА.

5.1. Структура имитационной модели.

5.2. Описание алгоритма имитационной модели.

5.2.1. Микромодель "Харвестер".

5.2.2. Микромодель "Технология".

5.2.3. Микромодель "Форвардер".

5.2.4. Микромодель "Критерии".

Выводы.

6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЕСНОЙ ТЕХНИКИ НА ПОЧВУ.

6.1. Цель и задачи исследования.

6.2. Характеристика объектов исследований.

6.3. Характеристика условий эксперимента.

6.4. Порядок проведения и определяемые параметры.

6.5. Результаты эксперимента.

Выводы.

7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ.

7.1. Цель и задачи исследования.

7.2. Характеристика объектов исследований.

7.3. Методика проведения исследований состояния лесного участка.

7.4. Методика оценки результатов.

7.5. Результаты экспериментальных исследований.

7.6. Компьютерное моделирование природно-производственных условий.

7.7. Организация и результаты компьютерного эксперимента.

7.8. Сопоставимость данных натурного и компьютерного экспериментов.

Выводы.

8. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ КОМПЬЮТЕРИЗИРОВАННОЙ

СИСТЕМЫ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ.

8.1. Создание лесохозяйственной ГИС территории.

8.2. Альтернативные системы машин для рубок ухода.

8.3. Анализ эффективности функционирования систем машин на рубках ухода.

Выводы.

9. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРАКТОРА МТЗ-80 В КАЧЕСТВЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МОДУЛЯ ЛЕСНОЙ МАШИНЫ.

9.1. Цель и задачи исследований.

9.2. Характеристика объекта исследований.

9.3. Характеристика условий эксперимента.

9.4. Порядок проведения эксперимента и регистрируемые параметры.

9.5. Измерительная аппаратура.

9.5.1. Общие требования и принципиальная схема.

9.5.2. Измерение крутящих и изгибающих моментов.

9.5.3. Измерение вертикальных и поперечных линейных ускорений.

9.5.4. Измерение числа оборотов ведущих колес.

9.5.5. Измерение угла наклона моторного модуля к горизонту.

9.5.6. Давление в гидравлической системе.

9.6. Градуировка измерительной аппаратуры.

9.7. Оценка точности измерений.

9.8. Методика обработки экспериментальных данных.

9.9. Анализ результатов исследований.

9.9.1. Давление масла в гидравлической системе.

9.9.2. Нагрузочные режимы работы трансмиссии трактора.

9.9.3. Нагрузки на шины, полуоси и рукава заднего моста.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование выбора систем машин для рубок ухода»

Актуальность темы. Одним из главных направлений лесной политики является развитие рубок ухода. Они позволяют формировать качественные леса к возрасту главной рубки, повышая конечный выход деловой древесины, дают возможность получать древесину для промышленных нужд от промежуточного пользования, способствуют решению глобальной экологической проблемы снижения потребности в проведения рубок на новых лесных площадях.

Масштабное развитие рубок ухода в стране сдерживается техническими возможностями. Решение данной проблемы предполагает как экстенсивный, так и интенсивный пути.

Экстенсивный путь - наращивание номенклатуры и числа машин и оборудования - предполагает оживление деятельности лесного машиностроения, в том числе конверсионного, увеличение импорта, создание новых машин, подобных лучшим зарубежным аналогам. На первом этапе работ в этом направлении целесообразно использовать положительный опыт разработки конструкций специальных лесных машин по модульному принципу на базе колесных сельскохозяйственных тракторов. Создание таких машин требует научного обоснования их основных параметров в соответствии с будущими условиями эксплуатации.

Решение вопроса машинизации за счет простого увеличения числа машин и оборудования является недостаточным шагом. Интенсивный путь предполагает организацию более эффективного использования машин. При этом требуется удовлетворение комплекса требований по производительности, металлоемкости, выполнению намеченной программы рубок. Особое значение должно уделяться экологическому аспекту проведения рубок ухода.

На современном научном уровне решение проблемы машинизации рубок ухода и экстенсивным и интенсивным путями предполагает разработку нового концептуального подхода, неразрывно связанного с вопросами информатизации и компьютеризации лесной отрасли. Суть данного подхода заключается в создании компьютерной системы поддержки принятия решений по выбору и обоснованию машин для проведения рубок в конкретных условиях. Такая система позволяет при учете многообразия природно-производственных факторов и альтернативном наборе машин осуществлять оптимальный подбор машин из числа существующих. При отсутствии необходимого варианта выбора система позволяет проводить обоснование основных параметров вновь проектируемых машин и оборудования.

Создание подобной компьютерной системы поддержки принятия решений в области обоснования лесных технологий и машин соответствует требованиям программ информатизации лесного хозяйства на 1998-2001 годы, внедрения ГИС-технологий в лесном хозяйстве на 1999-2005 годы, принятых Рослесхозом, и целевой федеральной программе «Леса России» 1997-2000.

Цель работы. Повышение эффективности применения машинизированных технологий и соответствующих систем машин для рубок ухода за лесом при обеспечении экологической совместимости с природной средой на основе компьютерной поддержки принятия решений.

Задачи исследований. Исходя из актуальности проблемы и цели работы, задачи исследований формулируются следующим образом:

• на основе анализа современного состояния мирового уровня развития лесного хозяйства, лесозаготовок и лесного машиностроения установить перспективные технические средства решения проблемы машинизации рубок ухода за лесом с учетом их экологического значения и исследовать причины, характер и экологические последствия повреждаемости деревьев и лесных почв от воздействия лесной техники при рубках ухода;

• разработать новую концепцию выбора систем машин для рубок ухода, отражающую разнообразие природно-производственных условий, экологический фактор и альтернативность выбора машин, на основе V 8 современных компьютерных технологий и системного подхода, включающего модель природной среды, электронные базы данных по машинам и оборудованию, имитационную модель рубок ухода;

• разработать компьютерные базы данных по машинам и оборудованию для рассматриваемых видов рубок и установить зависимости между их основными параметрами; создать базы данных по природно-производственным условиям на основе использования ГИС-технологий и провести компьютерное генерирование типовых модельных лесосек;

• разработать компьютерные модели для исследования воздействия ходовых систем на лесные почвы, отражающие специфику лесных почв (наличие корней и камней);

• провести комплекс экспериментальных исследований по воздействию машин на лесную среду (почвы, оставляемый древостой), оценить адекватность разработанных компьютерных моделей;

• экспериментально обосновать возможность использования серийного колесного сельскохозяйственного трактора Минского тракторного завода в качестве энергетического модуля лесных машин для рубок ухода и дать рекомендации по совершенствованию конструкции семейства модульных машин на базе этих тракторов с целью повышения их эксплуатационных показателей и экологической совместимости с природной средой;

• разработать практические рекомендации по выбору систем машин для рубок ухода для типовых условий Республики Карелия.

Объекты и методы исследований. Объектами исследований являлись древостой северных лесов Восточной Фенноскандии, технологии рубок ухода (прореживание и проходные рубки), системы машин для сортиментной заготовки леса: харвестеры (валочно-сучкорезно-раскряжевочные машины) и форвардеры (сортиментовозы).

Решение поставленных задач осуществлялось с использованием методов математической статистики, метода конечных элементов, имитационного моделирования, исследования операций, ГИС-технологий, инвентаризации пробных площадей лесных участков, натурных экспериментальных исследований, тензометрирования. Научная новизна работы.

• Разработана новая концепция выбора и обоснования машин для проведения рубок ухода, отличающаяся системным подходом, учетом многообразия природно-производственных условий эксплуатации и альтернатив выбора машин при приоритете экологического фактора, базирующаяся на новых компьютерных и информационных технологиях.

• Созданы компьютерные базы данных по машинам и оборудованию для сортиментной заготовки леса (харвестеры, форвардеры, манипуляторы, рабочие органы). Установлены зависимости между основными параметрами машин, позволяющие на уровне предварительного проектирования проводить обоснование основных концептуальных характеристик вновь создаваемой техники.

• Созданы банки данных природно-производственных условий и разработаны модели типовых модельных территорий лесов Фенноскандии на основе использования ГИС-технологий.

• Разработана математическая модель взаимодействия ходовых элементов машин с лесной почвой на основе использования метода конечных элементов, отличающаяся учетом упруго-пластических свойств почвы с наличием корней и камней в почвенном массиве и позволяющая исследовать влияние числа проходов машин, наличие камней, порубочных остатков на волоке на изменение условий функционирования корневых систем деревьев.

• Разработана имитационная компьютерная модель технологического процесса рубки ухода за лесом с применением харвестера и форвардера, учитывающая в качестве основного показателя функционирования экологическую совместимость машин с природной средой (повреждаемость оставляемого древостоя и почвы).

• Проведены экспериментальные исследования экологической совместимости различных типов лесных машин с природной средой, включающие сравнительную оценку воздействия машин на оставляемый на доращивание древостой и почву по комплексу её важнейших характеристик (плотности, твердости, пористости, глубине колеи).

• Впервые экспериментально обоснована возможность использования сельскохозяйственного трактора МТЗ-80 в качестве энергетического модуля семейства лесных колесных машин для рубок ухода.

Значимость для теории и практики. Разработана новая концепция выбора и обоснования машин для проведения рубок ухода. Совокупность предложенных компьютерных моделей и поддерживающих их функционирование информационных баз данных составляют основу системы принятия решений по обоснованию машин и оборудования для машинизации рубок ухода за лесом с учетом экологического фактора. Предложенные модели значительно обогащают теорию экологической совместимости машин с лесной средой за счет использования новейших компьютерных технологий, в том числе ГИС, метода конечных элементов и других.

Разработанная система принятия решений внедрена на предприятиях АК «Кареллеспром» и в Государственном комитете по лесу Республики Карелия.

Созданные компьютерные базы данных по лесозаготовительной технике имеют большое самостоятельное справочно-информационное значение и использованы в ряде организаций и предприятий отрасли (Государственный научный центр ЛПК при Минэкономики Российской Федерации, ОАО «Онежский тракторный завод»).

Результаты работы использованы при создании КарНИИЛПом системы колесных машин (харвестер и форвардер) для рубок промежуточного пользования. Экспериментальные образцы машин изготовлены и испытаны в производственных условиях. Опытные образцы машин были выпущены на Радомышльском машиностроительном и Петрозаводском ремонтно-механическом заводах. С 1995 года начато серийное производство форвардеров ЛТ-189М на заводе АО «Дормаш» (г. Орел).

Основные положения, выносимые на защиту:

• концепция решения проблемы выбора и обоснования машин для проведения рубок ухода на основе системного подхода, приоритетного учета экологического фактора проведения рубок ухода, использования современных компьютерных и информационных технологий;

• возможность исследования процессов взаимодействия ходовых систем машин с лесной почвой с использованием конечно-элементных компьютерных моделей;

• возможность исследования технологических процессов машинизированной заготовки леса на рубках ухода с использованием имитационных моделей при приоритете экологического фактора (минимизация повреждаемости древостоя, корневых систем и почвы);

• компьютерные базы данных машин и технологического оборудования для машинизации рубок ухода и полученные зависимости между их основными параметрами;

• возможность моделирования природно-производственных условий на основе использования ГИС-технологий;

• методики и результаты экспериментальных исследований по оценке воздействия лесных машин на природную среду (древостой и лесную почву);

• результаты экспериментального обоснования возможности использования трактора МТЗ-80 в качестве энергетического модуля лесных машин для рубок ухода и рекомендации по совершенствованию конструкций семейства таких машин;

• рекомендации по применению систем машин на рубках ухода в Республике Карелия.

Обоснованность и достоверность результатов исследований.

Достоверность результатов исследований подтверждается данными натурных экспериментов и положительным опытом внедрения разработок в практическую деятельность.

Реализация работы. Основные результаты работы внедрены в Карельском НИИ лесной промышленности при создании системы машин для рубок ухода, АК «Кареллеспром», Государственном комитете по лесу Республики Карелия, в Государственном научном центре ЛПК при Минэкономики РФ, на ОАО «Онежский тракторный завод», в учебном процессе кафедры тяговых машин Петрозаводского государственного университета.

Результаты исследований использованы при выполнении международных проектов Taiga-Model Forest (Россия-Финляндия, 1997-2000 г.г.), Tempus Tacis TJEP 10347-97 Development of the Environmental and Economics Studies (Россия-Финляндия-Швеция, 1997-2000 г.г.) и отечественного гранта «Разработка научных основ обоснования оптимального технологического процесса освоения лесных массивов при несплошных рубках» (№ госрегистрации 01.9.80000297.,1997) и включены в соответствующие отчеты.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены:

• на международных конференциях и семинарах: «Лес, окружающая среда и новые технологии в Северной Европе» (г. Йоэнсуу, Финляндия, - г. Петрозаводск, Россия, 1994), «Проблемы развития лесного комплекса Северо-западного региона» (г. Петрозаводск, 14-17 октября 1996), «Тайга. Возможности и ресурсы» (г. Хямеенлинна, Финляндия, 10-12 февраля 1998 г.), «Проблемы развития лесного сектора» (г. Петрозаводск, 18-19 ноября 1998), «Семинар Скандинавской Ассоциации лесной экономики» (г. Умеа, Швеция, июнь 1998), «Устойчивое лесопользование» (г. Каргополь, Архангельская обл., 20-24 сентября 1999), «Модельные леса в России: опыт и перспективы будущего» (г. Петрозаводск, 22-24 июня 1999), «Биологические основы изучения, освоения и охраны животного и растительного мира, почвенного покрова Восточной Фенноскандии» (международная конференция и выездная сессия отделения Общей биологии РАН: г. Петрозаводск: Институт биологии Карельского НЦ РАН, 6-10 сентября 1999), «Научно-технический прогресс в лесном комплексе» (г. Сыктывкар, 18-20 апреля 2000).

• на различных региональных и республиканских конференциях 1983-2000 г.г., в том числе «Региональные проблемы развития лесного комплекса» (г. Петрозаводск, 1998), «Ресурсосберегающие технологии лесного комплекса» (г. Петрозаводск, 1998), «Научное обеспечение лесного комплекса Карелии» (г. Петрозаводск, 1999).

• демонстрировались на Всероссийской выставке «Российский лес-99» в г. Вологда.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 54 печатных работах, в том числе двух монографиях. Пять работ опубликовано в зарубежных изданиях (Канада, Швеция, Финляндия). Получено два авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти разделов, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 397 е., в том числе 250 с. машинописного текста, 156 рисунков, 32 таблицы, приложения. Список использованных источников включает 304 наименования.

Заключение диссертации по теме «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства», Сюнёв, Владимир Сергеевич

Выводы

1. В исследованных природно-производственных условиях Восточной Фен-носкандии по основным концептуальным параметрам рассмотренных систем машин оптимальными для машинизации рубок ухода являются машины, представленные в табл. 8.9.